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本文采用高能球磨与热压烧结相结合的方法制备TiN/Ti基复合材料,首先将Ti粉与N2通过高能球磨使之反应生成具有一定机械化程度的复合粉体,并在后续热压烧结过程中进一步反应生成TiN,通过对球磨时间的控制,研究不同球磨时间对复合材料成分及性能的影响。本实验设定的球磨时间分别为0.5h,1h,1.5h,2h,球磨气氛为N2,通入气体压强为4atm,热压烧结实验参数为1100℃/20MPa/2h。利用XRD、电子显微镜、扫描电镜、透射电镜等手段对球磨后粉末及烧结后复合材料的物相组成及微观组织结构进行分析,并对材料的强度、硬度、抗弯性能等进行测试,进而分析材料的增强机制,此外,本文还对TiN的反应动力学进行了分析讨论,旨在为复合材料的制备奠定一定的理论基础。球磨对粉末产生了明显的细化效果,随球磨时间增加,粉末粒径逐渐减小,当球磨0.5h时,粉末粒径便由原始的44μm降低到26.87nm,当球磨2h后,粉末粒径降低到16.33nm,并开始发生团聚。球磨后,N2吸附于金属Ti粉表面,形成TiNx复合粉体,此时,粉末晶格畸变严重,且化学反应不完全,并未形成结构稳定的TiN化合物,在后续的高温烧结过程中,晶体结构发生重组,N原子进一步向Ti原子内扩散并与之反应最终形成非化学计量比的化合物TiNx,材料由αTi+βTi+TiNx三相组成。微观组织结构分析表明,烧结后复合材料致密度良好,无明显的孔洞和裂纹存在,且随球磨时间延长,材料的晶粒度明显减小。基体由明显的βTi和αTi两相区组成,且在βTi相区内存在大量的马氏体组织,反应生成的增强相TiNx尺寸细小,在20nm-200nm范围内,增强相在基体中均匀分布,起到了很好的弥散强化效果。力学性能测试分析表明,复合材料的硬度随球磨时间增加显著增加,与基体纯Ti相比随球磨时间的延长,分别提高了31.13%、58.08%、93.6%、101.71%。材料的最大压缩屈服强度随球磨时间增加先升高后降低,与基体纯Ti相比分别提高了17.27%、30.92%、35.93%、18.11%,在球磨1.5h时达到最大2440Mpa,材料的抗弯强度随球磨时间增加呈下降趋势。一方面反应生成的TiN为高硬度、高强度的脆性材料,适量的TiN可显著增加材料的强硬度,而过量的TiN则可能导致材料脆化,此外,随TiN含量的增多,材料的熔点增高,材料的致密度会有所降低,因此材料的抗弯强度呈下降趋势。通过对材料微观组织结构及断口形貌的分析表明:TiN增强Ti基复合材料的强化机制主要为:TiNx的形成提高了材料的承载能力,颗粒细小的TiNx在基体中均匀分布,起到了很好的弥散强化效果;球磨细化了基体晶粒,起到了细晶强化作用;N的固溶起到了固溶强化作用。TiN反应形成动力学表明,Ti粉与N2在800-1100℃温度区间内可迅速反应生成TiN,且随时间延长,TiN生成量逐渐增多,在1100℃,保温4h,Ti粉可几乎完全转化为TiN。整个反应过程可分为两个阶段:在开始反应的前5s,化学反应主要由形核与长大控制,表达方程式为[-ln(1-a)]4=kt;5s之后,化学反应主要由扩散控制,表达方程式为[1-(1-a)1/3]2=kt。Ti粉与N2在两个阶段的反应活化能分别为214.84 KJ/mol和124.01 KJ/mol。